Гомогенное зарождение — происходит следующим образом: в жидком металле вблизи точки кристаллизации вследствие флуктуации энергии, состава и плотности непрерывно образуются группировки атомов с упорядоченной структурой — комплексы или зародыши твердой фазы. Одновременно и непрерывно происходит разрушение большей части их них. С тем, чтобы зародыш стал термодинамически устойчивым, т. е. способным к дальнейшему росту необходимы определенные условия.

Условия гомогенного зарождения.
Из термодинамики известно, что переход жидкости в твердое состояние и наоборот возможны, если свободная энергия системы при этом уменьшается.

Затвердевание или расплавление в процессе изменения температуры объясняются тем, что при температурах, превышающих точку кристаллизации, меньшей удельной свободной энергией обладает жидкая фаза, а при более низких температурах — твердая.

В процессе образования зародыша свободная энергия системы с одной стороны возрастает в результате затраты энергии на образование поверхности раздела «расплав — зародыш»

и с другой стороны уменьшается в результате перехода части жидкости в твердую фазу, у которой уровень свободной энергии ниже

где ? – межфазное натяжение на границе раздела фаз (удельная поверхностная энергия).

При температуре кристаллизации свободная энергия жидкой и твердой фаз равны и образование зародыша невозможно, так как нет источника для компенсации затрат энергии на образование поверхности раздела фаз. Поэтому для образования зародыша необходимо некоторое переохлаждение расплава.

При данной величине переохлаждения термодинамически устойчивыми, т. е. способными к дальнейшему росту, оказываются те зародыши, размер которых превысит так называемый «критический». Критический размер это такой, начиная с которого дальнейший рост сопровождается снижением суммарной свободной энергии образования зародыша (рисунок 15).

Величину критического радиуса зародыша определяют из соотношения:

где ? – межфазное натяжение на границе раздела жидкой и твердой фаз;
Ткр — температура начала кристаллизации;
?Т — величина переохлаждения;
QKp — скрытая теплота кристаллизации.

Таким образом, на процесс кристаллизации решающее влияние оказывают степень переохлаждения и удельная поверхностная энергия на границе кристалл—жидкость. При увеличении степени переохлаждения критический радиус зародыша уменьшается, т. е. термодинамически устойчивыми становятся более мелкие зародыши. Аналогичное влияние оказывает уменьшение величины поверхностной энергии ?.

Приближенные расчеты показывают, что гомогенное зарождение кристалла ряда металлов возможно при переохлаждении, равном 0,2•Ткр, т. е. около 350 °С для железа. Уменьшение переохлаждения до 200 °С снижает вероятность образования равновесного зародыша при гомогенной кристаллизации почти в 105 раз. Однако величина переохлаждения в стальном слитке обычно не превышает 10 °С. Следовательно, кристаллизация по гомогенному механизму на практике не реализуется.

В реальных условиях механизм затвердевания имеет гетерогенный характер, когда образование и рост зародыша происходят на уже имеющейся поверхности раздела – центрах кристаллизации. Процесс зарождения и роста кристаллов в этом случае существенно облегчается — в реальных условиях сталь начинает кристаллизоваться при переохлаждении в несколько градусов.

В формировании структуры слитка не меньшую роль играет последующий рост кристаллов, который обусловливается прежде всего интенсивностью и направленностью отвода тепла.